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斜拉橋風致抖振時域分析
2018-05-07 
   1.引言

   我國的中西部山區面積廣大,地形復雜,具有山高谷深,風環境復雜等特點,這就需要建設大跨徑橋梁以跨越山谷、河流等。其中斜拉橋是跨越能力比較強的柔性橋型之一。舊塔科馬橋的風毀事故引起人們對橋梁風致振動的關注,其中風對斜拉橋等大跨度橋梁的影響不容忽視。頻域分析、全橋模型風洞試驗方法和時域分析方法是現在分析橋梁抖振的主要方法,其中橋梁有限元模型時域分析是比較常用的方法。

   2.時域方法的主要步驟

   橋梁結構抖振時域分析主要包括三個方面:一是空間脈動風場的有效模擬;二是時域風荷載模型的處理;三是非線性時程分析。

   2.1.脈動風的模擬

   1)主梁模型的選擇。在大跨徑橋梁全橋的結構分析中,常采用平面和空間桿系結構,塔和墩簡化為通過其中心線的兩節點兩單元,而斜拉索等桿系簡化為兩節點桿單元。在三維空間分析中,由于主梁作為橫向尺寸較大的實體結構,其縱向還有斜拉索、縱梁等不同構件連接。都使得不能只用一個空間梁單元進行描述。大跨徑橋梁主梁主要有三種不同的計算模型:三梁式、雙梁式以及魚骨式。

   2)風場模擬方法的選擇。抖振響應時域分析,首先依據目標功率譜函數數值模擬空間脈動風場。對于平穩隨機過程,比較常用的方法有諧波合成法與線性濾波法。諧波合成法計算量較大,但是精度較高,一般常采用這種方法。

   2.2.抖振風荷載

   2.3.非線性時程分析

   結構幾何非線性處理方法。現代大跨徑橋梁的柔性特征十分明顯,特別是懸索橋和斜拉橋,對其進行動力分析時必須要考慮幾何非線性,才能得到精確的計算結果。隨著計算機性能的提高,也使得我們可以研究復雜結構的非線性問題。大跨徑橋梁結構受到幾何非線性的影響,其整體剛度在抖振有限元分析中是變化的。因而不可直接使用線性不變時的NewMark-β顯式積分,這種方法的求解結果是不穩定的。可以采用結合Newton-Raphson和NewMark-β迭代法來求解。

   3.工程實例

   3.1工程概況

   該橋位于湖北省境內,是一座主跨為320m的預應力混凝土雙塔雙索面斜拉橋,主梁寬27.3m、高3.0m。混凝土寶石型塔高約120m,塔墩高約72m,橋塔總高約192m。主梁采用現場懸澆施工方案。

   3.2模型處理

   主梁模型采用魚骨式,脈動風的模擬采用改進的諧波合成法以Simiu譜和Panofshy譜為橫向和豎向脈動風場的目標譜。通過有限元軟件建立模型如圖3.1。風場模擬參數如表3.1。主梁處脈動風時程曲線如圖3.2和圖3.3所示。

   3.3成橋階段抖振力計算

   大橋成橋節段在0攻角的橫向和豎向脈動風作用下的抖振響應進行了分析。在計算分析中,有關參數取值如下:來流的自然攻角為0;紊流的功率譜密度函數中反映空間相關性的縱向和豎向脈動風速指數衰減系數Cz 、Cy和Cw分別為16、10、6;地面粗糙長度按D類地區取為1.0m;橋梁結構的質量阻尼系數和剛度阻尼系數分別為0.056和0.0011;拉索和橋塔構件的氣動導納取1.0;主梁氣動導納取1.0的Liepmann簡化公式計算;成橋狀態抖振計算風速取設計基準風速24.8m/s。經計算發現時間步在500步以后響應統計量的變化就不是很明顯了,所以綜合考慮確定計算荷載步取為1000步。計算結果如圖3.4到3.7所示。

   4.結論

   1)由圖3.4圖3.5和圖3.6可以得到成橋狀態時在設計風速下主梁振幅數值較小,滿足規范要求。主梁豎向振動具有簡諧振動的特性,線形圓滑,振幅大于橫向,是橋梁的主要振動方向。

   2)圖3.7主梁豎向移的均方根曲線圓滑,線性流暢,表明計算結果數值模擬較準確,符合實際橋梁振動變化。

   綜上可得出該橋成橋階段在設計風速的脈動風作用下,橋梁發生抖振振幅較小,滿足規范要求。

   參考文獻:

   [1]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M]. 北京:人民交通出版社,2005

   [2]JTG/TD 6001―2004,《公路橋梁抗風設計規范》[S]..北京:人民交通出版社,2004

   
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